【正文】 器控制 MOS 管的導(dǎo)通量，從而達(dá)到流過該電子負(fù)載的電流恒定，實(shí)現(xiàn)恒流工作模式。而且采用運(yùn)放進(jìn)行比較控制 MOS 管只有通和斷兩種情況，不能實(shí)現(xiàn)逐漸改變 MOS 管導(dǎo)通角的變化，不易控制。這對(duì)于占空比的細(xì)調(diào)節(jié)不易控制，誤差較大。通過運(yùn)放、PI 調(diào)節(jié)器及負(fù)反饋控制環(huán)路，能夠較精確的控制 MOS 管的導(dǎo)通量，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案電子負(fù)載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成。電子負(fù)載系統(tǒng)的硬件部分包括以下部分：（1） 單片機(jī)的選擇與 I/O 的分配（2） 液晶顯示模塊（3） 鍵盤模塊（4） D/A 轉(zhuǎn)換模塊（5） A/D 轉(zhuǎn)換電壓電流采樣模塊（6） 電流取樣 PI 控制器等組成的負(fù)反饋控制模塊（7） 電源電路模塊電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分:(l)人一機(jī)聯(lián)系程序。(2)數(shù)據(jù)采集和處理程序。本制作的電子負(fù)載，主要實(shí)現(xiàn)其恒流工作模式，如圖 13 所示為方案三系統(tǒng)模塊框圖。PI 控制器控制 MOS 管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的。用 A/D 轉(zhuǎn)換器把電路中的電壓電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)來(lái)控制轉(zhuǎn)化，然后用液晶顯示顯示出即時(shí)的電壓電流。在整個(gè)電子負(fù)載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關(guān)系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51,51 單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。方案二：STC89C51 與 AT89C51 基本性能相同，但 STC89C51 RMB 較多,8K flash,串口可以直接燒程序，可以和 Keil 直連。EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2(AD0) 39(AD1) 38(AD2) 37(AD3) 36(AD4) 35(AD5) 34(AD6) 33(AD7) 32(A8) 21(A9) 22(A10) 23(A11) 24(A12) 25(A13) 26(A14) 27(A15) 28PSEN 29ALE/PROG 30(TXD) 11(RXD) 10GND 20VCC 40U1S1712Y1R910KR101K C110uFC330PC430PVCCRSTRSTVCCGNDVCCP3.P3.12345678JP2VCCVCCGND參參 參參參參圖 21 STC89C52 單片機(jī)與液晶顯示模塊連接電路表 21 單片機(jī) I/O 口分配I/O 口 應(yīng)用 I/O 口 應(yīng)用 44 矩陣鍵盤輸入 — A/D 采樣輸入— D/A 轉(zhuǎn)換輸出 XTAL1XTAL2 時(shí)鐘輸入— 液晶顯示模塊 RESET 單片機(jī)復(fù)位信號(hào)單片機(jī)總控制電路如圖 21 所示：STC89C52 單片機(jī)在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)以下功能:設(shè)定值通過 D/A 轉(zhuǎn)換輸出基準(zhǔn)電壓；實(shí)際工作電壓、電流 A/D 采樣；LCD 顯示；鍵盤輸入等。 顯示模塊的設(shè)計(jì)方案一：采用數(shù)碼管顯示。電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管顯示的信息量有限，只能顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字，其電路復(fù)雜，占用的系統(tǒng)I/O 資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃爍、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)中要測(cè)量實(shí)際的電壓電流值，采用的是 Nokia 5110 液晶顯示模塊可以顯示出電壓電流等漢字，一面了然、外觀比較好看。故經(jīng)過比較選擇方案二 Nokia 5110 液晶顯示特點(diǎn)：（1) 性價(jià)比高，可以顯示 15 個(gè)漢字、30 個(gè)字符，價(jià)格相對(duì)便宜；（2) 接口簡(jiǎn)單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動(dòng)；（3) 速度快，是 LCD12864 的 20 倍，是 LCD1602 的 40 倍；（4) Nokia5110 工作電壓 ，正常顯示時(shí)工作電流 200uA 以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動(dòng)設(shè)備。如圖 22 所示為單片機(jī)與 LCD 通信過程。圖 24 Nokia 5110 復(fù)位時(shí)（3）顯示英文字符英文字符占用 6*8 個(gè)點(diǎn)陣，通過建立一個(gè) ASCII 的數(shù)組 font6x8[][6]來(lái)尋址。 鍵盤模塊方案一：非矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用方便，適合于較少開關(guān)量的輸入場(chǎng)合。并且此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。采用矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)可以最大限度地使用單片機(jī)的引腳資源，矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合, 由行線和列線組成, 按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，節(jié)省I/O 口，因此其應(yīng)用十分廣泛。所以需要有09的數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)等等按鍵，按鍵較多，所以鍵盤模塊采用方案二。(2) 小數(shù)點(diǎn)鍵：本設(shè)計(jì)中精度要求較高，輸入的設(shè)定值會(huì)有需要帶小數(shù)點(diǎn)。(3)自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)停止按鍵:該按鍵把電子負(fù)載功能劃分為設(shè)置和調(diào)節(jié)兩部分，沒有按下該按鍵時(shí)，默認(rèn)為功能設(shè)置，此時(shí)單片機(jī)只預(yù)置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預(yù)置數(shù)據(jù) LCD 顯示等功能；而當(dāng)按下該按鍵 1 次后，單片機(jī)將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負(fù)載調(diào)節(jié)、A/D采集、實(shí)際數(shù)據(jù) LCD 顯示等功能。(5)復(fù)位清零鍵:當(dāng)輸入有誤時(shí)，按下該鍵可以清除顯示屏。 D/A 轉(zhuǎn)換模塊的選擇方案一 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片。D/A 轉(zhuǎn)換器由 8 位輸入鎖存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。TLC5615是一個(gè)串行1O位DAC芯片，性能比早期電流型輸出的要好。本設(shè)計(jì)需要測(cè)出電壓值、電流值，對(duì)設(shè)定值的精確度要求更高。同時(shí)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 TLC5615 采用接口簡(jiǎn)單的，使得硬件電路大為簡(jiǎn)化，線路板面積縮小，成本降低，故選擇方案二。D/A 變換輸出采用 TLC5615 與單片機(jī)連接設(shè)定值通過鍵盤輸入送往單片機(jī)，再通過 DA 輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往 PI 控制器與實(shí)際電壓相比較。VREF 為到 PI 調(diào)節(jié)器與實(shí)際值相比較的基準(zhǔn)電壓。 VREF = 5N／1024 （21）（N 為輸入設(shè)定值的二進(jìn)制數(shù)）如圖 28 TLC5615 的時(shí)序圖可以看出，當(dāng)片選 CS 為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù) DIN 由時(shí)鐘 SCLK 同步輸入或輸出，而且最高有效位在前，低有效位在后。 +46132 785U3TLC5615VREFVCCGNDR14OP3712V12VR231KR241KVREF 圖 27 TLC5615 與反相器連接圖 圖 28 TLC5615 時(shí)序圖 采樣電路模塊方案一采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 是一種 8 路模擬輸入的 8 位逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，為 CMOS 型單芯片器件。但其占用端口多，轉(zhuǎn)換頻率低于 1M。TLC1549 采用 CMOS 工藝。兩者相比，TLC1549 系列器件性能優(yōu)良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡(jiǎn)便，實(shí)用價(jià)值高,同時(shí)與 10 位的 TLC5615 DA 輸出基準(zhǔn)電壓精度相同，不會(huì)導(dǎo)致電路精度降低，故選擇方案二。采樣 A/D 選用 10位精度的 TLC154精度較高。從功率電路采集實(shí)際工作電壓和電流，反饋到單片機(jī)，再通過液晶顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)的調(diào)節(jié)。如圖 29 所示采用 1/11 的分壓，輸出送往 A/D 采樣TLC1549 添加一個(gè)電壓跟隨器，沒有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對(duì)電路進(jìn)行緩沖，起到承上啟下的作用。如圖 29 所示,被試電源兩端的電壓 U 與電壓采樣點(diǎn)電壓 Ub 的關(guān)系為 Ub=R19/( R19+ R18)U=10K/(10K+100K)U=1/11U （22）所以 U=11Ub （23）R1910KQ2IRFP46046132 785U4TLC154946132 785U5TLC1549R18100KR+RUbUa1GNDGNDVCC VCCVCCR11R12R14R13OP37OP37UfC5UaR151KR161KVREF60K40K40K12VOP37R201KR211K12VVCCUb112V12V12V12V圖 29 電壓電流采樣電路原理圖 電流采樣電路電流采樣電路中，首先借助采樣電阻 R17 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出送往 A/D 采樣 TLC1549 添加一個(gè)電壓跟隨器，不取到放大作用。如圖 29 所示負(fù)載電流 I 與電流采樣點(diǎn)電壓 Ua 的關(guān)系為 I=Ua/R17=Ua/ （24）采樣電阻 R17 的電阻為 歐姆，為錳銅采樣電阻，阻值較小，但可以承受大功率，采樣電阻分流對(duì)整個(gè)電路影響較小。這種電阻適用于高功率及高電流的電源供應(yīng)器，電路板的電路偵測(cè)，具有穩(wěn)定性佳，低溫度系數(shù)，散熱性好的特性。根據(jù) TLC1549 的功能結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序，其工作過程可分為 3 個(gè)階段：模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸。（2）輸入模擬量采樣在第 3 個(gè) I／O CLOCK 下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù) 7 個(gè) I／O CLOCK 周期，采樣值在第 10 個(gè) I／O CLOCK 下降沿鎖存。串行接口把輸入／輸出時(shí)鐘序列供給 I／O CLOCK 并接收上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對(duì)應(yīng)的次高位，第 9 個(gè)I／OCLOCK 的下降沿將按次序驅(qū)動(dòng) DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第 10 個(gè) I／OCLOCK 的下降沿，DATA OUT 輸出一個(gè)低電平，以便串行接口傳輸超過10 個(gè)時(shí)鐘；I／O CLOCK 從主機(jī)串行接口接收長(zhǎng)度在 10～16 個(gè)時(shí)鐘的輸入序列。10 位數(shù)字量通過 DATA OUT 發(fā)送到主機(jī)串行接口。在正常轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，即規(guī)定的時(shí)間內(nèi) CS 端由高電平至低電平的跳變可以終止該周期，器件返回初始狀態(tài)(輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果)。 電流取樣 PI 控制器等組成的負(fù)反饋控制模塊電子負(fù)載的核心實(shí)質(zhì)是一個(gè)電流取樣 PI 控制器組成的負(fù)反饋控制環(huán)路，也是電子負(fù)載的功率控制電路。采樣電阻 R17 電流－電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在 R17 上的電壓降通過 PI 調(diào)節(jié)器與基準(zhǔn)電壓（VERF）比較，控制 MOS 管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的。這個(gè)電路中，設(shè)定值與實(shí)際值相比較。通過 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，增大 MOS 管的導(dǎo)通角，增大 MOS 管的導(dǎo)通量，使 MOS 管的內(nèi)阻減小，流過電阻 R17 的電流增大，則電壓降 Uf 慢慢增大并等于設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流工作模式，這是一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程。傳統(tǒng)的僅靠比較器來(lái)比較設(shè)置值與實(shí)測(cè)值，比較后的輸出作用于 MOS 管。所以需要一個(gè)更加精確的調(diào)節(jié)器來(lái)控制 MOS 管的導(dǎo)通量，使其導(dǎo)通角能夠在可承受電壓范圍內(nèi)，按照偏差的大小，對(duì)實(shí)測(cè)值與給定值的偏差分別進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號(hào)以控制調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的增大或縮小達(dá)到設(shè)定值等于實(shí)際值。當(dāng)突加輸入電壓 Uin 時(shí)，由于開始瞬間電容 C 相當(dāng)于短路，反饋回路只有電阻 R1，使輸出電壓 Uex 突跳到 KPIUin。這樣，當(dāng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器后，在突加輸入偏差信號(hào)△Un 的動(dòng)態(tài)過程中，在輸出端 Uct 立即呈現(xiàn) Uct=KPI△Un，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處；在穩(wěn)態(tài)時(shí)，又和積分調(diào)節(jié)器一樣，又能發(fā)揮積分控制的作用，△Un=0，Uct 保持在一個(gè)恒定值上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。比例部分能夠迅速響應(yīng)控制作用，積分控制則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。故 PI 調(diào)節(jié)器應(yīng)用在電子負(fù)載的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì) MOS 導(dǎo)通角的有效控制，具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量即電子負(fù)載電路中的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會(huì)不停的變化。PI 調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)= r(t)—c(t) （25）將偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為 （2]dt)(eT1)t([Ku(t)t0Ip???6）其中 u(t)為 PI 控制器的輸出，e(t)為 PI 調(diào)節(jié)器的輸入，Kp 為比例系數(shù)，TI 為積分時(shí)間常數(shù)。通常隨著 Kp 值的加